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Search for extrasolar planets around young stars in the presence of stellar activity

Mohler-Fischer, Maren

German Title: Die Suche nach Planeten um junge Sterne in Gegenwart stellarer Aktivität

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Abstract

Planets form in circumstellar disks around newly born stars. The timescales of planet formation and migration remain poorly constrained and are a matter of ongoing debate. The disk dispersal timescale, which sets a limit to the duration of planet formation, was derived from infrared surveys to be less than 10Myr. In order to test the predicted planet formation time scales described in current theories, it is important to find planets in the age range of 1 to 100Myrs. In the same manner, non-detections can help to understand the current theories. However, the number of discoveries is still very small due to the challenging task to analyze RV signals contaminated by the high stellar activity. Within this thesis, I performed a systematic radial velocity (RV) search for planets around 21 young targets with ages between ~3 and ~400Myr and spectral types between F6 and M0. In order to account for the strong stellar activity, I analyzed the stellar spectra in terms of a variety of activity indicators, analyzing both single spectral lines and the RV cross-correlation function. For three targets, a strong radial velocity signal could be identified, which was not induced by measurement sampling. Due to the analysis of available photometric data and activity indicators, it was possible to exhibit stellar activity patterns such as cool stellar spots as origin of the signal. The simulation with a spot program allowed to reconstruct possible spot scenarios that could have caused the detected RV variability. The challenge of the conformation of a transit planet with follow-up observations in presence of stellar activity is shown in the discussion of HATS-2b, a transiting extrasolar planet orbiting a K-type star showing starspot activity. Furthermore, the discussion of a possible companion around the young eruptive star EX Lupi is part of this thesis. The detailed RV and activity analyses show the challenging task to disentangle RV signals caused by a possible companions and by stellar activity. Although no planet could be identified in the RV search around 21 young stars, it can in summary be stated that the detailed analyses in this thesis allow to put constraints on further RV surveys looking for exoplanets around young stars. This includes not only the sample size and target selection but also the observations and data analysis methods.

Translation of abstract (German)

Planeten entstehen in Scheiben um neugeborene Sterne. Die Zeitskalen, auf welchen ihre Entstehung und das Einnehmen eines langzeitstabilen Orbits ablaufen, stehen noch immer zur Debatte. Eine Abschätzung liefern Infrarotflussmessungen, die zeigen, dass sich die Scheibe binnen etwa 10 Millionen Jahren auflöst, weshalb die Entstehung und Entwicklung von Planeten innerhalb dieser Zeitspanne geschehen muss. Um diese von den aktuellen Theorien vorhergesagten Zeitskalen zu überprüfen, ist es wichtig, Planeten um Sterne von 1 bis 100 Millionen Jahre zu finden. Ebenso können aber auch Nichtentdeckungen dabei helfen, zwischen Theorien zu unterscheiden. Jedoch ist die Anzahl der bereits gefundenen Planeten um solch junge Sterne zu klein, um schlüssige Aussagen zur Planetenentstehung zu treffen. Der Grund dafür ist, dass junge Sterne im allgemeinen sehr aktiv sind, was Planetenentdeckungen erheblich erschwert. Innerhalb dieser Arbeit wurde eine systematische Suche unter Verwendung der Radialgeschwindigkeitsmethode (RV) nach Planeten um 21 junge Sterne mit einem Alter zwischen ~3 and ~400Myr und Spektraltypen von F6 bis M0 durchgeführt. Um die stellare Aktivität zu analysieren, wurden die beobachteten Sternspektren in Hinblick auf eine Vielzahl von Aktivitätsindikatoren untersucht. Dafür habe ich sowohl einzelne Spektrallinien als auch die Kreuzkorrelationsfunktion zur Ermittlung der RV verwendet. Ein klares periodisches RV-Signal, welches nicht durch die zeitliche Abfolge der Beobachtungen hervorgerufen worden sein kann, wurde in den Zeitreihen von drei Sternen gefunden. Auf Grund der Analyse von Photometrie und Aktivitätsindikatoren konnte jedoch ein Planet nicht bestätigt werden; vielmehr scheint stellare Aktivität als Ursache wahrscheinlich. Verschiedene Sternflecken und ihre Auswirkungen auf die relative Radialgeschwindigkeit wurden daraufhin simuliert, um mögliche Sternfleckszenarien als Ursache für die RV-Variation auszumachen. Die Abhandlung über den Transitplaneten HATS-2b, welcher einen Stern mit Sternfleckenaktivität vom Spektraltyp K umkreist, zeigt die Herausforderungen auf, die bei den Nachfolgebeobachtungen und bei den Analysen von Transitplaneten im Beisein von stellarer Aktivität entstehen. Die damit verbundenen Herausforderungen, RV-Signale unterschiedlicher physikalischer Ursachen (wie ein Begleiter im System und stellare Aktivität) zu trennen, ist des Weiteren in der Analyse der RV-Variabilität - und der damit verbundenen möglichen Existenz eines Begleiters - des jungen eruptiven Sterns EX Lupi diskutiert. Obwohl im Rahmen der RV-Suche um 21 junge Sterne kein Planet nachwiesen werden konnte, lässt sich zusammenfassend sagen, dass die detaillierten Analysen in dieser Arbeit es ermöglichen, Anforderungen an zukünftige Studien von Planeten um junge Sterne zu stellen. Dies schließt sowohl die Samplegröße und die Targetauswahl, als auch die Beobachtung und Auswertung ein.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Henning, Prof. Dr. Thomas
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 21 October 2013
Date Deposited: 28 Oct 2013 14:04
Date: 2013
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Extrasolarer Planet, Radialgeschwindigkeit, Sternaktivität
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